JP5972666B2 - 冷却システム及びメンテナンス要否判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍機を有する冷却システム及び冷凍機のメンテナンス要否判定方法に関する。

一般に、被冷却物を極低温に冷却する冷却システムでは、被冷却物を冷却する冷凍機が設けられている。この冷凍機としては、信頼性が高く小型化が可能なＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機が多用されている。

ＧＭ冷凍機は摺動部品及びフィルタ等の経時劣化する部品を含み、これらの部品の劣化に伴い冷凍能力が低下するため、メンテナンスを実施する必要がある（特許文献１）。

従来においては、経時劣化が発生する期間を判定し、この期間が経過した時に実際にＧＭ冷凍機に冷凍能力の劣化の発生に拘わらずメンテナンス処理を実施することが行われていた。また、ＧＭ冷凍機の冷凍能力が大きく低下し、これに伴い冷却システムに異常が認められた際にＧＭ冷凍機のメンテナンス処理を実施することも行われていた。

特開２００５−１２３３１３号公報

しかしながら、経時劣化期間を推定してメンテナンス時期を判定する方法では、実際にはメンテナンス処理を必要としない冷凍機に対してもメンテナンス処理が実施される場合があり、冷却システムの運用効率が低下するという問題点があった。

また、冷凍機の冷凍能力に起因して冷却システムに異常が発生した時点で冷凍機に対してもメンテナンス処理する方法では、冷却システムを長期に亘り停止する必要が生じてしまうという問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、冷却システムの運用効率の向上を図りうる冷却システム及びメンテナンス要否判定方法を提供することを目的とする。

本発明の実施例に係るある態様は、冷凍機を有する冷却システムであって、目標温度に冷却されている状態の前記冷凍機に所定時間にわたって熱負荷を印加する熱負荷印加手段と、前記熱負荷印加手段により前記冷凍機に熱負荷を印加した際、前記冷凍機又は前記冷凍機が搭載された冷凍機搭載部に発生する物理量の変化を検出する検出手段と、前記検出手段により検出される物理量の変化が元の状態に戻るのに要する戻り時間に基づき、前記冷凍機のメンテナンスの要否を判定する判定手段と、を有することを特徴とする冷却システムである。前記冷凍機搭載部は寒剤が装填されたタンクを有し、前記熱負荷印加手段は前記タンクに設けられたヒータである。

また本発明の実施例に係る別の態様は、寒剤が装填されたタンクを有する冷凍機搭載部に搭載された冷凍機のメンテナンスの要否を判定する冷凍機のメンテナンス要否判定方法であって、前記タンクに設けられたヒータにより、目標温度に冷却されている状態の前記冷凍機に所定時間にわたって熱負荷を印加するステップと、前記冷凍機に熱負荷を印加することにより、前記冷凍機又は前記冷凍機搭載部に発生する物理量の変化を検出するステップと、検出された前記物理量の変化が元の状態に戻るのに要する戻り時間に基づき、前記冷凍機のメンテナンスの要否を判定するステップとを有することを特徴とする冷凍機のメンテナンス要否判定方法である。

開示の発明によれば、冷凍機に熱負荷を印加し、これにより冷凍機搭載部に発生する物理量の変化に基づきメンテナンスの要否を判定するため、メンテナンスの要否を適確かつ容易に判定することができる。

図１は、本発明の第１実施形態である冷却システムの構成図である。 図２は第１実施形態である冷却システムに熱負荷としてＧＭ冷凍機を休止させた場合の温度特性を示し、図２（Ａ）はメンテナンス不要時の温度変化を示す図、図２（Ｂ）はメンテナンス必要時における温度変化を示す図である。 図３は、メンテナンス時期を判定する処理を示すフローチャートである。 図４は第１実施形態である冷却システムにヒータで加熱することにより熱負荷を印加した場合の温度特性を示し、図４（Ａ）はメンテナンス不要時の温度変化を示す図、図４（Ｂ）はメンテナンス必要時における温度変化を示す図である。 図５は、本発明の第２実施形態である冷却システムの構成図である。 図６は第２実施形態である冷却システムにヒータで加熱することにより熱負荷を印加した場合の圧力特性を示し、図６（Ａ）はメンテナンス不要時の圧力変化を示す図、図６（Ｂ）はメンテナンス必要時における圧力変化を示す図である。 図７は第２実施形態である冷却システムにヒータを停止することにより熱負荷を印加した場合の圧力特性を示し、図７（Ａ）はメンテナンス不要時の圧力変化を示す図、図７（Ｂ）はメンテナンス必要時における圧力変化を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態である冷却システム１を示している。冷却システム１は、大略するとＧＭ（ギフォード・マクマホン）冷凍機２と圧縮機兼制御装置７とにより構成されている。

ＧＭ冷凍機２は冷凍機搭載部９に搭載されており、冷凍機搭載部９に収納された被冷却物（図示せず）を冷却する。このＧＭ冷凍機２は、内部にディスプレーサが往復動可能に設けられたシリンダ３を有している。またシリンダの上部には、ディスプレーサが往復動するための機構部、及び冷媒ガスを供給・排気するためのバルブ等（図示せず）が設けられている。

冷媒ガスは、ディスプレーサの移動及びシリンダ３内に供給・排気されるタイミングを適宜制御されることにより、シリンダの低温側でシリンダとディスプレーサとの間に形成される膨張空間において断熱膨張されて寒冷を発生する。また、シリンダ３の低温端（図中下端部）には、被冷却物と熱的に接続された冷却ステージ４が設けられている。

シリンダ３の低温端側で発生した寒冷は、冷却ステージ４を介して被冷却物に伝わり、これにより被冷却物は冷却される。

圧縮機は、本実施形態ではＧＭ冷凍機２に対して高圧の冷媒を供給すると共にＧＭ冷凍機２から還流する冷媒を加圧する。制御装置は、温度センサ5から送られてくる冷却ステージ４の温度に基づき後述するメンテナンス時期の判定処理を実施する。本実施形態では、圧縮機と制御装置とを一体化し、圧縮機兼制御装置７としている。

このため、ＧＭ冷凍機２と圧縮機兼制御装置７との間には高圧の冷媒をＧＭ冷凍機２に圧送するための高圧配管７ａと、ＧＭ冷凍機２からの低圧ガスが還流する低圧配管７ｂとが接続されている。

また、前記したＧＭ冷凍機２の冷却ステージ４には、温度センサ５（請求項に記載の検出手段に相当する）及びヒータ６が配設されている。温度センサ５は冷却ステージ４の温度を測定するものである。この温度センサ５で測定された冷却ステージ４の温度情報は、圧縮機兼制御装置７に送られる。

また、ヒータ６（加熱装置）は、冷却ステージ４を加熱する。即ち、ヒータ６はＧＭ冷凍機２に対して熱負荷を与える熱負荷印加手段として機能する。このヒータ６は、圧縮機兼制御装置７から電力供給されることにより加熱する。

なお、本実施形態では１段式のＧＭ冷凍機２を例に挙げて説明するが、本発明の適用は１段式のＧＭ冷凍機に限定されるものではなく、多段式のＧＭ冷凍機についても適用が可能なものである。

ところで、ＧＭ冷凍機２は機構部等に摺動部品及びフィルタ等の経時劣化する部品を含み、これらの部品が劣化することにより冷凍能力が低下することは前述した通りである。以下、上記した冷却システム１において、圧縮機兼制御装置７が実施するＧＭ冷凍機２のメンテナンス時期の判定処理について説明する。

図２は、圧縮機兼制御装置７が実施するＧＭ冷凍機２のメンテナンス時期の判定処理の第１実施例を説明するための図である。同図において、縦軸は冷却ステージ４の温度を示し、横軸は時間を示している。

本実施例に係るメンテナンス時期の判定処理は、ＧＭ冷凍機２に熱負荷を印加し、この熱負荷の印加により、ＧＭ冷凍機２自体又はＧＭ冷凍機２が搭載された冷凍機搭載部９に発生する物理量の変化（温度変化又は圧力変化等）を検出し、この物理量の変化量や変化速度などに基づきＧＭ冷凍機２のメンテナンス時期を判定することを特徴としている。

図２に示す実施例では、ＧＭ冷凍機２を休止させることにより、ＧＭ冷凍機２に熱負荷を印加する。このＧＭ冷凍機２の休止は、圧縮機兼制御装置７が冷媒の供給を停止又は運転周波数を低下することにより、又はＧＭ冷凍機２に設けられた駆動部を停止又は運転周波数を低下させることにより行われる（これらは、請求項に記載の休止装置を構成する）。なお、圧縮機兼制御装置７とＧＭ冷凍機の両方を停止してもよい。

図２（Ａ）は、メンテナンスが不要な状態のＧＭ冷凍機２の特性を示している。同図は、時刻ＬにおいてＧＭ冷凍機２を休止させ、時刻Ｍで再びＧＭ冷凍機２の駆動開始を行った例を示している。

同図に示されるように、ＧＭ冷凍機２が休止されることにより、温度センサ５で測定される冷却ステージ１４の温度は上昇する。同図に示す例では、時刻ＬでＧＭ冷凍機２が休止され、時刻Ｍで再駆動されるまでの間に、冷却ステージ１４の温度はＴ２に上昇している。

一方、時刻ＭでＧＭ冷凍機２を再駆動すると、冷却ステージ１４の温度は低下する。この際、メンテナンスが不要な状態のＧＭ冷凍機２は高い冷凍能力を維持しているため、冷却ステージ１４の温度は比較的短時間である時間t2で初期温度T１よりもΔTオフセットした温度T３に回復する（この温度T３に回復するまでの回復時間を戻り時間という）。なお、ΔTをゼロとして、温度T３を初期温度T１と等しい温度に設定してもよい。

これに対して図２（Ｂ）は、部品の劣化が発生しメンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機２の温度特性を示している。なお、ＧＭ冷凍機２の休止時間t1は、図２（Ａ）に示したメンテナンスが不要な状態のＧＭ冷凍機２と同一時間としている。

同図に示すようにメンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機２は、冷却効率が悪いためにＧＭ冷凍機２を再駆動した後、冷却ステージ１４の温度が温度Ｔ３に回復までに長い戻り時間t3が必要であることが分かる。同図に示す例では、時刻Ｍで再駆動した後、時刻Ｎで初期温度Ｔ１よりもΔＴオフセットした温度Ｔ３となり、また時刻Ｄにおいて初期温度Ｔ１となる。

このように、ＧＭ冷凍機２に熱負荷を印加した後に発生した温度変化（物理量の変化）を検出することにより、具体的にはＧＭ冷凍機２を休止させた後の冷却ステージ１４の温度変化を測定することにより、ＧＭ冷凍機２がメンテナンスが必要であるか否かを判定することができる。よって、本実施例に係る判定処理を行うことにより、適確かつ容易にＧＭ冷凍機２のメンテナンス時期の判定を行うことができる。

図３は、上記の原理に基づき、圧縮機兼制御装置７（請求項に記載の熱負荷印加手段及び判定手段に相当する）が実施するメンテナンス時期の判定処理を示すフローチャートである。

図３に示す判定処理は、例えば圧縮機兼制御装置７に組み込まれたタイマー等により所定間隔で発生するトリガ信号により起動するよう構成されている。同図に示す判定処理が起動すると、先ずステップ１０で圧縮機兼制御装置７は温度センサ５を用いて冷却ステージ４の初期温度T１を測定する（図３では、ステップをＳと略称する）。この測定された初期温度T１は、圧縮機兼制御装置７内の記憶装置に格納される。

続くステップ１１では、ＧＭ冷凍機２を休止させる。これにより、ＧＭ冷凍機２の冷却処理が停止されるため、冷却ステージ１４の温度は上昇する。

ステップ１２では、ＧＭ冷凍機２の休止後、所定の時間t1が経過したかどうかを判定する。この時間t1は、メンテナンスが不要な状態のＧＭ冷凍機２とメンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機２との間で、メンテナンスの要否判定を容易かつ確実に行いうる温度変化（物理量の変化）が発生する時間に設定されている。ＧＭ冷凍機２の休止は、時間t1が経過するまで続けられる。

時間t1が経過すると、処理はステップ１３に進み、圧縮機兼制御装置７はＧＭ冷凍機２を再駆動する。これにより、冷却ステージ１４はＧＭ冷凍機２により冷却される状態となる。また、圧縮機兼制御装置７はＧＭ冷凍機２を再駆動すると同時に、内蔵されたタイマーを起動する。

続くステップ１４では、圧縮機兼制御装置７は温度センサ５を用いて冷却ステージ１４の温度Ｔを測定する。そして、測定されたＧＭ冷凍機２の再駆動後の冷却ステージ１４の温度Ｔが、初期温度T１よりもΔTオフセットした温度T３未満になったか否かを判断する（ステップ１５）。ステップ１４の処理は、ステップ１５で肯定判断（ＹＥＳの判断）がされるまで続行される。

ステップ１５において、冷却ステージ１４の温度ＴがT３未満になったと判断されると、処理はステップ１６に進み、圧縮機兼制御装置７はＧＭ冷凍機２を再駆動と同時に起動したタイマーの値ｔ（即ち、戻り時間t）を取り込む。ここで求められた時間ｔは、
続くステップ１７では、予め実験或いは経験則等で得られているメンテナンスが不要な状態のＧＭ冷凍機の戻り時間t0（以下、これを基準戻り時間t0という）と、ステップ１６で測定された戻り時間tとを比較する。

ステップ１６で測定された戻り時間tが基準戻り時間t0より短い場合は、ＧＭ冷凍機２はメンテナンスが不要な状態の場合である。よって、ステップ１８で肯定判断（ＹＥＳの判断）がされた場合は、現在アラーム８が起動している場合にはステップ１９でアラーム８をＯＦＦとし、アラーム８が起動していない場合はそのままの状態を保持して処理を終了する。

一方、ステップ１８で否定判断（ＮＯの判断）がされた場合は、ＧＭ冷凍機２に対してメンテナンスを実施する必要がある。よってこの場合は、圧縮機兼制御装置７はステップ１８においてアラーム８を起動させる構成とした。これにより、冷却システム１の使用者に、ＧＭ冷凍機２にメンテナンスが必要になったことを知らせることができる。

なお、冷却システム１の使用者にＧＭ冷凍機２にメンテナンスが必要になったことを知らせる方法は本実施形態の方法に限定されるものではなく、インターネット回線等を用いて冷却システム１とは離れた場所で監視している監視者に知らせる方法等を用いることも可能である。また、冷凍機に内蔵されたGPS等を用いて監視者がメンテナンスが必要な冷凍機と設置場所を特定し、予め用意されたメンテナンス又は復旧シーケンス等によって使用者に影響を与えずに冷却システムの保守管理を行うことも可能である。

また、上記した実施形態では、ＧＭ冷凍機２を再駆動した後に冷却ステージ１４が元の温度Ｔ１に回復するまでの時間を測定し、これに基づきメンテナンスの要否の判定を行った。しかしながら、単位時間の温度変化を求めることによっても、メンテナンスの要否判定を行うことは可能である。

即ち、図２（Ａ）に示すメンテナンスが不要な状態のＧＭ冷凍機２の場合、単位時間（図中、Δtで示す）当たりの温度変化量は大きな値になっている。これに対し、図２（Ｂ）に示すメンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機２の場合、単位時間Δtあたりの温度変化量は、メンテナンスが不要な状態のＧＭ冷凍機２の温度変化量に比べて小さくなっている。

よって、実験或いは経験則等でメンテナンスが不要な状態のＧＭ冷凍機の単位時間Δtあたりの温度変化量を求めておき（これを基準温度変化量という）、これとメンテナンスの要否が判定されるＧＭ冷凍機２の単位時間Δtあたりの温度変化量とを比較することによっても、当該ＧＭ冷凍機２のメンテナンスの要否を判定することが可能となる。

また、GM冷凍機２の比較的新しい状態で戻り時間を計測しておき、その新しい状態での戻り時間と比較して、メンテナンスの要否を判定してもよい。例えば、新しい状態での戻り時間に対して戻り時間が２倍以上となった場合にメンテナンスが必要であると判断することができる。

次に、図４を用いて第２実施例であるメンテナンスの要否の判定方法について説明する。なお、図４において縦軸は冷却ステージ４の温度を示し、横軸は時間を示している。

図２を用いて説明したメンテナンス時期の判定方法では、ＧＭ冷凍機２を休止させることにより、ＧＭ冷凍機２に対して熱負荷を印加する構成とした。これに対して以下説明するメンテナンス時期の判定方法では、ＧＭ冷凍機２の冷却ステージ１４に設けたヒータ６を用いてＧＭ冷凍機２に熱負荷を印加することを特徴としている。

図４（Ａ）は、メンテナンスが必要ない状態のＧＭ冷凍機２の特性を示している。同図は、時刻Ｌにおいてヒータ６を起動させて冷却ステージ１４の加熱を開始し、時刻Ｍでヒータ６を停止して加熱を停止した例を示している。

同図に示されるように、ヒータ６で加熱されることにより、温度センサ５で測定される冷却ステージ１４の温度は上昇する。同図に示す例では、時刻Ｌでヒータ６が起動され時刻Ｍで停止されるまでの間に、冷却ステージ１４の温度はＴ２に上昇している。

一方、ヒータ６を停止状態にすると、冷却ステージ１４の温度は低下する。この際、部品が劣化がなく高い冷凍能力を維持したＧＭ冷凍機２は、比較的短い戻り時間（時間t2）で冷却ステージ１４は初期温度T１よりもΔTオフセットした温度T３に回復する。

これに対して図４（Ｂ）は、部品の劣化が発生しメンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機２の温度特性を示している。なお、ヒータ６による冷却ステージ１４の加熱時間t1は、図４（Ａ）に示したメンテナンスが不要な状態のＧＭ冷凍機２と同一時間としている。

同図に示すように部品の劣化が発生しメンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機２は、冷却効率が悪いため、長い戻り時間t3を必要とする。

従って、ヒータ６により冷却ステージ１４を加熱した後の冷却ステージ１４の温度変化を測定することによっても、ＧＭ冷凍機２がメンテナンスが必要であるか否かを適確かつ容易に判定することができる。

なお、図４に示す例においても、ヒータ６を停止した後の単位時間Δtの温度変化量は、メンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機２とメンテナンスが不要な状態のＧＭ冷凍機２で異なっている（メンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機２の方が単位時間Δｔにおける温度変化量が小さくなっている）。よって、この単位時間Δtにおける温度変化量を求めることにより、図２を用いて説明したと同様に、ＧＭ冷凍機２のメンテナンスの要否判定を行うことができる。

次に、図５を用いて本発明の第２実施形態である冷却システムについて説明する。

本実施形態では、冷却システムをヘリウム再凝縮装置１０に適用した例を示している。本実施形態に係るヘリウム再凝縮装置１０は、ＧＭ冷凍機１１、真空容器１５、熱シールド板１６、液体ヘリウム容器１７、ヒータ２２、凝縮器２３、圧力センサ２４、及び圧縮機兼制御装置３０等を有している。

ＧＭ冷凍機１１は、１段冷却シリンダ１２と２段冷却シリンダ１３とを有しており、各シリンダ１２，１３内で蓄冷材が内設されたディスプレーサが往復移動する構成とされている。本実施形態で使用するＧＭ冷凍機１１は、例えば１段冷却シリンダ１２の冷却部で４０Ｋ、２段冷却シリンダ１３の冷却部で４Ｋ程度の冷却を行いうる構成とされている。この温度は、２段冷却シリンダの冷却部が液体ヘリウム温度の冷却を行うことができる温度に設定される。

真空容器１５（冷凍機搭載部）は金属製の筐体であり、ＧＭ冷凍機１１はこの真空容器１５に搭載されている。真空容器１５は図示しない真空ポンプに接続されており、内部を真空とすることにより外部からの熱の侵入を防止する。

この真空容器１５の内部には、金属製の筐体である熱シールド板１６が設けられている。この熱シールド板１６は、図示されていないがＧＭ冷凍機１１の１段冷却シリンダ１２に熱的に接続されている。よって、熱シールド板１６はＧＭ冷凍機１１により冷却され、輻射熱の内部への侵入を防止している。

液体ヘリウム容器１７（請求項に記載のタンクに相当）は、熱シールド板１６の内部に配設されている。この液体ヘリウム容器１７は密閉容器であり、その内部に冷却材（寒剤）として用いられる液体ヘリウム１８が装填されている。また、液体ヘリウム容器１７は液体ヘリウム１８で満たされているのではなく、液体ヘリウム１８の液相Ｌと、液体ヘリウム１８が蒸発してガス化したガス相Ｇとに分離されている。

凝縮器２３は、液体ヘリウム容器１７のガス相Ｇ内に配設されている。凝縮器２３は、液体ヘリウム１８が蒸発したヘリウムガスを冷却して再凝縮し液相Ｌに戻すものである。この凝縮器２３は、温度ダンパ２０を介してＧＭ冷凍機１１により冷却される構成としてもよい。

温度ダンパ２０は、例えばＧＭ冷凍機１１の冷却ステージ１４と凝縮器２３との間に配設することができ、冷却ステージ１４の温度変動を吸収する機能を奏するものである。

ヒータ２２は、液体ヘリウム容器１７の底部に配設されている。このヒータ２２は圧縮機兼制御装置３０に接続されており、圧縮機兼制御装置３０から給電されることにより加熱し、液体ヘリウム容器１７内の液体ヘリウム１８を加熱する。よってヒータ２２は、ＧＭ冷凍機１１に熱負荷を印加する熱負荷印加手段として機能する。

圧力センサ２４は、液体ヘリウム容器１７に配設されている。よって、液体ヘリウム容器１７内の圧力は、圧力センサ２４により計測することができる。圧力センサ２４で検出された液体ヘリウム容器１７内の圧力は、圧縮機兼制御装置３０に送られる。

圧縮機兼制御装置３０は、本実施形態ではＧＭ冷凍機２に対して高圧の冷媒を供給すると共にＧＭ冷凍機２から還流する冷媒を加圧する圧縮機と、圧力センサ２４から送られる液体ヘリウム容器１７内の圧力に基づき後述するメンテナンス時期の判定処理を実施する制御装置とが一体化された構成とされている。

次に、図６を用いて第３実施例であるメンテナンス時期判定方法について説明する。本実施例では、ヘリウム再凝縮装置１０に装着されたＧＭ冷凍機１１に熱負荷を印加し、この時に発生する物理量の変化に基づきＧＭ冷凍機１１のメンテナンスの要否を判定する。なお、図６において縦軸は液体ヘリウム容器１７内の圧力を示し、横軸は時間を示している。

図２を用いて説明したメンテナンス時期の判定方法では、ＧＭ冷凍機２を休止させることにより、ＧＭ冷凍機２に対して熱負荷を印加する構成とした。これに対して以下説明する本実施例に係るメンテナンス時期の判定方法では、液体ヘリウム容器１７の下部に配設したヒータ２２を用いて液体ヘリウム容器１７内の液体ヘリウム１８を加熱することにより、ＧＭ冷凍機１１に対して熱負荷を印加する構成としたことを特徴としている。

図６（Ａ）は、メンテナンスが不要な状態のＧＭ冷凍機１１の特性を示している。同図は、時刻Ｌにおいてヒータ２２を起動させることにより液体ヘリウム容器１７内の液体ヘリウム１８の加熱を開始し、時刻Ｍでヒータ２２を停止して加熱を停止した例を示している。

同図に示されるように、ヒータ２２で加熱されることにより液体ヘリウム１８の温度は上昇し、これにより液体ヘリウム１８の液相Ｌの一部は気化してガス相Ｇとなる。このため、圧力センサ２４により測定される液体ヘリウム容器１７内の圧力は、ヒータ２２が起動することにより上昇する。同図に示す例では、時刻Ｌでヒータ２２が起動され時刻Ｍで停止されるまでの間に、液体ヘリウム容器１７内の圧力はＰ２に上昇している。

一方、ヒータ２２を停止すると、液体ヘリウム容器１７内の圧力は低下する。この際、部品が劣化がなく高い冷凍能力を維持したＧＭ冷凍機１１は、比較的短い戻り時間（時間t2）で冷却ステージ１４は初期圧力Ｐ１よりもΔＰオフセットした圧力Ｐ３に回復する（この圧力Ｐ３に回復するまでの時間を戻り時間という）。

これに対して図６（Ｂ）は、部品の劣化が発生しメンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機１１の圧力特性を示している。なお、ヒータ２２による液体ヘリウム容器１７の加熱時間t1は、図６（Ａ）に示したメンテナンスが不要な状態のＧＭ冷凍機１１と同一時間としている。

同図に示すように、部品の劣化が発生しメンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機１１は、冷却効率が悪いため、長い戻り時間を必要とする。よって、メンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機１１は、図６（Ａ）における戻り時間t2に比べて長い戻り時間t3が必要となる（t3＞t2）。

従って、ヒータ２２により液体ヘリウム１８を加熱した後の液体ヘリウム容器１７内の圧力変化を測定することによっても、ＧＭ冷凍機１１がメンテナンスが必要であるか否かを判定することができる。

なお、図６に示す例において、ヒータ２２を停止した後の単位時間Δtにおける圧力変化量は、メンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機２とメンテナンスが不要な状態のＧＭ冷凍機２で異なっている（メンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機２の方が単位時間Δｔにおける圧力変化量が小さくなっている）。よって、この単位時間Δtにおける圧力変化量を求めることにより、ＧＭ冷凍機１１のメンテナンスの要否判定を行うことも可能である。

次に、図７を用いて第４実施例であるメンテナンス時期の判定方法について説明する。本実施例では、ヘリウム再凝縮装置１０に装着されたＧＭ冷凍機１１に熱負荷を印加し、この時に発生する物理量の変化に基づきＧＭ冷凍機１１のメンテナンスの要否を判定する。なお、図７においても縦軸は液体ヘリウム容器１７内の圧力を示し、横軸は時間を示している。

図７に示す例でも液体ヘリウム容器１７の下部に配設したヒータ２２を用いて液体ヘリウム容器１７内の液体ヘリウム１８を加熱するが、以下説明する判定方法では、予め液体ヘリウム容器１７に熱を印加しておくことに特徴を有する。

よって、本判定方法においても、ヒータ２２はＧＭ冷凍機１１に対して熱負荷を印加する熱負荷印加手段として機能する。なお、図７においても、縦軸は液体ヘリウム容器１７内の圧力を示し、横軸は時間を示している。

図７（Ａ）は、ＧＭ冷凍機１１のメンテナンスが不要な状態の特性を示している。同図は、予めヒータ２２を起動しておくことにより液体ヘリウム容器１７内の圧力を一定圧力Ｐ１としていた状態で、時刻Ｌにおいてヒータ２２を停止し、その後に時刻Ｍでヒータ２２を再び起動した例を示している。

同図に示されるように、熱を印加したヒータ２２を停止させることにより、液体ヘリウム容器１７内のガス相Ｇ内の気化した液体ヘリウム１８はＧＭ冷凍機１１で冷却された凝縮器２３により凝縮して液化する。このため、ヒータ２２が停止されることにより、液体ヘリウム容器１７内の圧力は低下することになる。同図に示す例では、時刻Ｌでヒータ２２が停止され時刻Ｍで再起動されるまでの間に、液体ヘリウム容器１７内の圧力はＰ４に下がっている。

一方、ヒータ２２を停止すると、液体ヘリウム容器１７内の圧力は上昇する。この際、部品が劣化がなく高い冷凍能力を維持したＧＭ冷凍機１１は、比較的長い戻り時間（時間t2）で液体ヘリウム容器１７内の圧力は初期圧力Ｐ１よりもΔＰオフセットした圧力Ｐ３に回復する。

これに対して図７（Ｂ）は、部品の劣化が発生しメンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機１１の圧力特性を示している。なお、ヒータ２２の停止時間t1は、図７（Ａ）に示したメンテナンスが不要な状態のＧＭ冷凍機１１と同一時間としている。

同図に示すように、部品の劣化が発生しメンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機１１は、冷却効率が悪いため、元の圧力Ｐ３に短時間で回復する。よって、メンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機１１は、図７（Ａ）における戻り時間t2に比べて短い戻り時間t3となる（t3＜t2）。

従って、予備加熱を行っていたヒータ２２を停止させ、その後に再起動した後の液体ヘリウム容器１７内の圧力変化を測定することによっても、ＧＭ冷凍機１１がメンテナンスが必要であるか否かを判定することができる。

また、図７に示す例においても、ヒータ２２を再起動した後の単位時間Δtにおける圧力変化量は、メンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機２とメンテナンスが不要な状態のＧＭ冷凍機２で異なっている（メンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機２の方が単位時間Δｔにおける圧力変化量が大きくなっている）。よって、この単位時間Δtにおける圧力変化量を求めることにより、ＧＭ冷凍機１１のメンテナンスの要否判定を行うことも可能である。

更に、図７に示す例では、ヒータ２２を停止した後に液体ヘリウム容器１７の圧力がＰ３からＰ４に下がる特性もメンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機２とメンテナンスが不要な状態のＧＭ冷凍機２で異なっている（メンテナンスが必要な状態のＧＭ冷凍機２の方が緩やかに圧力が低下する）。よって、ヒータ２２を停止した後から再起動するまでの液体ヘリウム容器１７内の圧力変化を測定することによっても、ＧＭ冷凍機１１のメンテナンスの要否判定を行うことが可能である。

なお、圧縮機兼制御装置７，３０は、上記した図４，６，７を用いて説明した各実施例に係る判定方法に基づき判定処理を実施する。この判定処理は、基本的には図３を用いて説明した判定処理と同一であり、ステップ１０のＧＭ冷凍機２，１１に印加する熱負荷が異なるのみである。よって、図４，６，７を用いて説明した各実施例に基づき圧縮機兼制御装置７，３０が実施する判定処理については、その説明を省略する。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。

具体的には、本実施形態ではGM冷凍機を用いた冷却システムについて説明したが、これに限られず、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、JT冷凍機など他の冷凍機を用いることができる。また、寒剤として用いられる液体ヘリウムの再凝縮装置について説明したが、液体窒素、液体水素など他の寒剤の再凝縮装置に用いることができる。

１ 冷却システム
２，１１ ＧＭ冷凍機
３ シリンダ
４，１４ 冷却ステージ
５ 温度センサ
６，２２ ヒータ
７，３０ 圧縮機兼制御装置
８ アラーム
９ 冷凍機搭載部
１０ ヘリウム再凝縮装置
１２ １段冷却シリンダ
１３ ２段冷却シリンダ
１５ 真空容器
１６ 熱シールド板
１７ 液体ヘリウム容器
１８ 液体ヘリウム
１９ 内部空間
２０ 温度ダンパ
２４ 圧力センサ
２６ 供給配管
２７ バルブ

Claims (2)

1. 冷凍機を有する冷却システムであって、
   目標温度に冷却されている状態の前記冷凍機に所定時間にわたって熱負荷を印加する熱負荷印加手段と、
   前記熱負荷印加手段により前記冷凍機に熱負荷を印加した際、前記冷凍機又は前記冷凍機が搭載された冷凍機搭載部に発生する物理量の変化を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出される前記物理量の変化が元の状態に戻るのに要する戻り時間に基づき、前記冷凍機のメンテナンスの要否を判定する判定手段と、
   を有し、
   前記冷凍機搭載部は寒剤が装填されたタンクを有し、
   前記熱負荷印加手段は前記タンクに設けられたヒータである、
   冷却システム。
2. 寒剤が装填されたタンクを有する冷凍機搭載部に搭載された冷凍機のメンテナンスの要否を判定する冷凍機のメンテナンス要否判定方法であって、
   前記タンクに設けられたヒータにより、目標温度に冷却されている状態の前記冷凍機に所定時間にわたって熱負荷を印加するステップと、
   前記冷凍機に熱負荷を印加することにより、前記冷凍機又は前記冷凍機搭載部に発生する物理量の変化を検出するステップと、
   検出された前記物理量の変化が元の状態に戻るのに要する戻り時間に基づき、前記冷凍機のメンテナンスの要否を判定するステップと、
   を有することを特徴とする冷凍機のメンテナンス要否判定方法。

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